DE2549674A1

DE2549674A1 - OPTICAL SYSTEM WITH SHORT FOCAL LENGTH AND HIGH LENSITY

Info

Publication number: DE2549674A1
Application number: DE19752549674
Authority: DE
Inventors: Andor A Fleischman
Original assignee: Bell and Howell Co
Current assignee: Bell and Howell Co
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1976-05-13
Also published as: US3944338A; NL7512853A; JPS5165952A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKtRPATENTANWÄLTE A. GRÜNECKtR

H, KlNKELDEYH, KlNKELDEY

w.w.

DFl IMCL ■ AeE (CALTtOIlDFl IMCL ■ AeE (CALTtOIl

K. SCHUMANNK. SCHUMANN

OR FKR NAT. ■ 0IPLf¹HYSOR FKR NAT. ■ 0IPLf ¹ HYS

P. H. JAKOBP. H. JAKOB

DIPl- IfSfG.DIPl- IfSfG.

G. BEZOLDG. BEZOLD

DR BHRNAT.- DIPL-CHEM.DR BHRNAT.- DIPL-CHEM.

MÜNCHENMUNICH

E. K. WEILE. K. WEIL

OR RER OKX INC.OR RER OKX INC.

LINDAULINDAU

MÜNCHEN 22MUNICH 22

MAXIMILIANSTRASSE 43MAXIMILIANSTRASSE 43

5. November 19755th November 1975

p 974-7p 974-7

BELL & HOWELL COMPlIIYBELL & HOWELL COMPlIIY

7IOO McCormick Road
Chicago, Illinois 6064-57IOO McCormick Road
Chicago, Illinois 6064-5

Optisches System mit kurzer Brennweite
und hoher IdentstärkeShort focal length optical system
and high identity strength

Die Erfindung "betrifft ein optisches System mit verhältnismäasig kurzer Brennweite und großer Lichtstärke_β The invention "relates to an optical system with a relatively short focal length and high light intensity _β

Das erfindungsgemäße optische System ist in erster linie dafür bestimmt, monochromatische Lichtstrahlen in optischen Instrumenten effizient zu übertragen·The optical system according to the invention is primarily intended for monochromatic light rays in optical instruments to transfer efficiently

Optische Systeme sind so gebaut, daß sie Lichtstrählen auf eine Bildebene mit einem außerordentlich hohen Grad an Korrektion, innerhalb eines vorgegebenen Feldes effizient übertragen. Das optische System gemäß der Erfindung hat eine kurze Brenn~Optical systems are built to shine light on them an image plane with an extraordinarily high degree of correction, efficiently transmitted within a given field. The optical system according to the invention has a short focal length

9 8 2 07 1 O 3 39 8 2 07 1 O 3 3

TELEFON (080) 32 28 02 TELEX 05-39 38Ο TELEOHAMME MONAPATTELEPHONE (080) 32 28 02 TELEX 05-39 38Ο TELEOHAMME MONAP

2H436742H43674

weite mit einer verhältnismäßig großen Schnittweite und grosser Lichtstärke, um Lichtstrahlen einer bestimmten Wellenlänge von einer Lichtquelle mit kleinen Abmessungen zu übertragen. Das System ist so berechnet, daß die Lichtstrahlen ohne Degradation auf einer Bildebene das Bild der Lichtquelle in verkleinertem Maßstab bilden«, Die Lichtquelle ist in diesem Pail ein Helium-!Teon~Laser niedriger Energie, dessen Strahl fokussiert ist. Das vorliegende optische System ist in erster Linie zur Verwendung in einem massengefertigten Instrument bestimmt, etwa in einem Video-Plattenspieler. Ein solches optisches System muß einfach in Konstruktion und Zusammenbau sein, ein verhältnismäßig geringes Gewicht haben und preisgünstig sein, dabei soll es aber innerhalb des vorgegebenen Feldes nur geringfügige Beugungserscheinungen zeigen· Die Elemente dieses optischen Systems sind so gewählt, daß sie besonders einfach herzustellen sind. Die Konstruktion muß optimale Abbildungseigenschaften haben und ein Bild mit einer wesentlich besseren Korrektion liefern als man annehmen könnte, trotz der vermutlichen Toleranzschwankungen während der Herstellung und im Zusammenbau«wide with a relatively large back focal length and high light intensity to light rays of a certain wavelength from a light source with small dimensions. The system is calculated so that the light rays without degradation form the image of the light source on a picture plane on a reduced scale «, the light source is in this Pail a low energy helium! Teon laser whose beam is focused is. The present optical system is primarily for use in a mass-produced instrument in a video turntable, for example. Such an optical system must be simple in construction and assembly be, have a relatively low weight and be inexpensive, but it should be within the given field show only minor diffraction phenomena · The elements of this optical system are chosen so that they are special are easy to manufacture. The construction must have optimal imaging properties and deliver an image with much better correction than one might assume, despite the presumed tolerance fluctuations during manufacture and assembly "

Die Erfindung will also ein optisches System mit kurzer Brennweite, verhältnismäßig langer Schnittweite und großer Lichtstärke schaffen, um Lichtstrahlen bestimmter Viellenlänge von einer Lichtquelle mit geringem Durchmesser zu übertragen und ohne Verschlechterung auf einer Bildebene zu einem Bild zu vereinigen· The invention therefore aims at an optical system with a short focal length, Relatively long back focal length and high light intensity create light rays of a certain length of to a light source with a small diameter and to combine without deterioration on an image plane into one image

TJm dies zu erreichen, sieht die Erfindung ein optisches System vor, wie es im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs niedergelegt ist, und auch im kennzeichnenden Teil des zweiten Anspruchs.To achieve this, the invention provides an optical system as set out in the characterizing part of the first claim is laid down, and also in the characterizing part of the second Claim.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung,» Darin zeigen: Further features, details and advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing, »They show:

Fig.1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen optischen Syetemsj1 is a schematic sectional view of an inventive optical syetemsj

609820/1033609820/1033

h graphische Darstellungen der verschiedenen Aberrationen des in Pig.i gezeigten optischen Systems mit den in Tabelle 1 gegebenen Konstruktionsdaten»h graphical representations of the various aberrations of the optical system shown in Pig.i. the design data given in Table 1 »

In der Zeichnung ist ein optisches System gezeigt, um mit Lichtstrahlen von einer Quelle mit beschränktem Durchmesser, die im wesentlichen eine einzige Vfellenlänge haben, ein scharfes Bild zu erzeugen. In dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die monochromatische Lichtquelle ein fokussierter Laser mit einem Strahldurchmesser von 0,8 mm und einer Wellenlänge von 6J28 A⁰. Die Anordnung der Elemente, die weiter unten noch genauer beschrieben wird, liefert eine scharfe Bündelung des fokussierten Strahles zu einem Punkt mit extrem kleinem Durchmesser, und sieht zugleich ein leichtes, hochkorrigiertes optisches System vor, das mit geringen Kosten hergestellt werden kann_o In the drawing there is shown an optical system for producing a sharp image with light rays from a source of limited diameter which are essentially of a single wavelength. In the preferred exemplary embodiment shown, the monochromatic light source is a focused laser with a beam diameter of 0.8 mm and a wavelength of 6J28 A ⁰ . The arrangement of the elements, which will be described in more detail below, provides a sharp bundling of the focused beam to an extremely small diameter point, while providing a lightweight, highly corrected optical system that can be manufactured at low cost, _etc.

Das nur aus G-las bestehende optische System der I⁴Ig. 1 weist ein erstes Element I₁ auf, ausgehend von der Strahleintrittseite des Systems, das der nicht gezeigten Lichtquelle am nächsten liegt. Das Element L- hat positive Brechkraft und bildet zusammen mit einem negativen Element Lp ein positives Qbjektivglied, welches die Strahlen der Lichtquelle in Empfang nimmt οThe only G-las optical system of the I ⁴ Ig. 1 has a first element I ₁ , starting from the beam entry side of the system, which is closest to the light source (not shown). The element L- has positive refractive power and, together with a negative element Lp, forms a positive lens element which receives the rays from the light source

Das zweite Element Lo ist auf der Achse von dem ersten Element L₁ durch einen kleinen Luftabstand getrennte Es zerstreut die Lichtstrahlen geringfügig, damit praktisch alle Lichtstrahlen, die aus ihm austreten, mit Sicherheit auf ein Element L* fallen, auch wenn eine kleine Dezentrierung oder Schiefstellung zwischen den optischen Achsen der Elemente vorhanden ist, wie sie in der Fertigung und/oder beim Zusammenbau auftreten kann»The second element Lo is separated on the axis from the first element L ₁ by a small air gap There is a misalignment between the optical axes of the elements, as can occur in production and / or during assembly »

Das dritte Element L^ hat einen ziemlich großen Luftabstand vom Element Lp. Das Element L, hat eine kleine positive Brech kraft und wirkt zusammen mit einem positiven Element L, als ein positives Objektivglied, um die Lichtstrahlen zur BildebeThe third element L ^ has a fairly large air gap from element Lp. The element, L, has a small positive refraction force and works together with a positive element L, as a positive lens member to capture the light rays

609820/1033609820/1033

ne weiterzugeben und dort ein verkleinertes Bild des Objekts zu bilden.ne to pass on and there a reduced image of the object to build.

Die optische Konstruktion iet in dem dargestellten Beispiel mit einer Schutzabdeckung L₁- aus einem optischen Material versehen, um die Gefahr der Beschädigung einer Oberfläche, die die optisch kodierte Information zur Bildebene weitergibt, zu vermeiden. Durch geeignet gewählte Modifikationen der Radien für die Elemente IL bis L. kann die Konstruktion nach Wunsch für die Verwendung ohne die Schutzabdeckung oder mit einer dünneren oder dickeren Abdeckung berechnet werden_o In the example shown, the optical construction is provided with a protective cover L ₁ made of an optical material in order to avoid the risk of damage to a surface which transmits the optically coded information to the image plane. By appropriately selected modifications of the radii for the elements IL to L., the construction can be calculated as desired for use without the protective cover or with a thinner or thicker cover _{or the like}

Das optische System ist ein Objektiv mit einer Brennweite von 8,17 mm (0,3215 inch) und mit einer effektiven Lichtstärke von f:1,10 und einer numerischen Apertur von 0,45° Das System hat einen halben Bildwinkel von 2,58° und ist auf diesem vorgegebenen Bildfeld im wesentlichen diffraktionsfreiο Wie aus den Figo2a-2h ersichtlich, die schematisch die Aberrationen für das optische System der S¹Ig. 1 wiedergeben, ist ein kombinierter hoher Grad an Korrektion erreicht, dabei aber eine äußerst kurse Brennweite und eine größere effektive Lichtstärke gewahrt.The optical system is a lens with a focal length of 8.17 mm (0.3215 inch) and an effective light intensity of f: 1.10 and a numerical aperture of 0.45 °. The system has a half angle of view of 2.58 ° and is shown on this predetermined image field substantially diffraktionsfreiο As apparent from the Figo2a-2h schematically show the aberrations of the optical system of the S ¹ Ig. 1, a combined high degree of correction is achieved, but an extremely short focal length and a greater effective light intensity are preserved.

Die optischen Werte des in Fig.i gezeigten optischen Systems sind in folgender tabelle niedergelegtίThe optical values of the optical system shown in Figure i are set out in the following tableί

609 820/ 1033609 820/1033

Table 1

Effektive Br ennv/ei te =8,17 mm Halber Bildwinkel = 2,58°Effective focal length = 8.17 mm Half angle of view = 2.58 °

Linselens Radien (inch)Radii (inch) •• .8800
15.4000.8800
15.4000 Dickethickness (inch)(inch) Abstand (inch)Distance (inch) - .0350- .0350 44th • ^R9 -
^Rio^e • ^R 9 -
^R io ^e D₁ -D ₁ - .0750.0750 22 - .3370- .3370 ^si ^s i R3 =R3 = .4120.4120 Dn *Dn * .2230.2230 = .3100= .3100 ZZ R₄ =R ₄ = ZZ .4310.4310 ^S2 ^S 2 ^L3 ^L 3 R₅ =R ₅ = -6.6720-6.6720 Do ^β Do ^β .0960.0960 - .0040- .0040 mJmJ ^R6 ^β ^R 6 ^β UU .1750
- .2450.1750
- .2450 ^S3 ^S 3 - .1000- .1000 HH ^R7 ⁼ ^R 7 ⁼
^Rft ⁼ ^R ft ⁼ ^D4" ^D 4 " .0940.0940 (.1545 BFL)(.1545 BFL) OO ^S4 ^S 4 Inf.
Inf.Inf.
Inf. *■ .0053 * ■ .0053 h
I H
I. D₅ -D ₅ - .0492.0492 o ^s₅ o ^ s ₅ ii

die Elemente L₁, L, : V = 25,4 Pur die Elemente I₂, X- : Y = 66,1 Element Ji₁- : Optisches Materialthe elements L ₁ , L,: V = 25.4 Pur the elements I ₂ , X-: Y = 66.1 element Ji ₁ - : optical material

= 1,805 = 1,494= 1.805 = 1.494

In der obigen Tabelle sind in der ersten Spalte die Linsenelemente numerisch aufgezählt, angefangen von der Strahleintrittseite des Systems. Die Elemente haben den Streuindex "V" und den Brechungsindex "Np" ι wie am Ende der Tabelle angegeben. Die zweite Spalte enthält die Radien für die betreffenden Flächen der Elemente, wobei positive Werte der Radien llächen anzeigen, die konvex sind, und negative Werte der Radien konkave Flächen. Die dritte Spalte enthält die Dicke der betreffenden Elemente« Die vierte Spalte enthält die axialenIn the table above, the lens elements are in the first column enumerated numerically, starting from the beam entry side of the system. The elements have the scattering index "V" and the refractive index "Np" ι as indicated at the end of the table. The second column contains the radii for the respective surfaces of the elements, with positive values for the radii that are convex, and negative values of the radii show concave surfaces. The third column contains the thickness of the Elements concerned «The fourth column contains the axial

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Abstände zwischen den betreffenden Elementen und der nominellen Bildebene. Die Schutzplatte (Element Lj-) ist in der Schnittweite (Bi¹I) hinter der Fläche des letzten "aktiven" Elementes angeordnet. Der halbe Bildwinkel ist der Winkel zwischen der Verlängerung der Linsenachse und einer Linie vom Knotenpunkt des Objektivs zu dem am weitesten schräg außen liegenden abgebildeten £unkt auf dem Ulm«,Distances between the relevant elements and the nominal image plane. The protective plate (element Lj-) is arranged in the back focal length (Bi ¹ I) behind the surface of the last "active" element. Half the angle of view is the angle between the extension of the lens axis and a line from the nodal point of the lens to the most diagonally outward depicted point on the Ulm ",

Die Fig»2a-2h zeigen graphisch die verschiedenen Aberrationen dieser Ausführungsform des optischen Systems, wie sie in S¹Ig. 1 dargestellt und in Tabelle 1 mit ihren Daten niedergelegt ist. Fig.2a stellt die monochromatische Korrektion der Achsstrahlen dar. lig.2b zeigt die außerachsigen Aberrationen eines Strahles, der von der Zone des Filmformats durch das Objektiv transversal und tangential geht_o Fig.2c stellt die Aberrationen der Strahlen dar, die von der Ecke des Filmformats durch das Objektiv tangential und transversal gehen. Fig.2d zeigt die radialen oder longitudinalen Aberrationen von der Zone des Filmformats für Strahlen, die bei "3 Uhr" eintreten, während Figo2e die entsprechenden Aberrationen für die Eckenstrahlen wiedergibt. Fig.2f stellt die Verzeichnung als Prozentsatz eines "perfekten" Bildes dar. Fig.2g zeigt die sphärischen Aberrationen mit einer voll ausgezogenen linie und die Abweichung von der Sinusbedingung mit einer gestrichelten linie. Figo2h gibt die Bildfeldkrümmung wieder, wobei die tangential© Krümmung mit ausgezogener Linie und die sagittale Krümmung mit gestrichelter Linie dargestellt ist.Figures 2a-2h graphically show the various aberrations of this embodiment of the optical system as shown in S ¹ Ig. 1 and is set out in Table 1 with its data. 2a, the correction of the monochromatic on-axis represents the off-axis aberrations lig.2b shows a beam. That of the zone of the film camera through the lens transversely and tangentially goes _o FIGURE 2c illustrates the aberrations of the beams emitted from the corner of the Film format go through the lens tangentially and transversely. Fig.2d shows the radial or longitudinal aberrations of the zone of the film format for rays entering at "3 o'clock", while Figo2e shows the corresponding aberrations for the corner rays. FIG. 2f shows the distortion as a percentage of a "perfect" image. FIG. 2g shows the spherical aberrations with a solid line and the deviation from the sine condition with a dashed line. Figo2h shows the curvature of the field of view, the tangential © curvature being shown with a solid line and the sagittal curvature with a dashed line.

Eine zweite Ausführungsform eines Objektivs mit einer ähnliehen Konfiguration wie das in Fig.1 gezeigte enthält Nichtglaselemente in Kombination mit Glas elementen, wie in nachstehender !Tabelle 2 angegeben. Da die Korrektion bei dieser Konstruktion im wesentlichen gleich der Korrektion der Fig_o1 ist, die in den Diagrammen der Fig.2a-2h gezeigt ist, sind diese Diagramme für die Konstruktion der Tabelle 2 nicht noch einmal wiederholt. Auch dieses optische System ist ein ObjektivA second embodiment of a lens with a configuration similar to that shown in Figure 1 contains non-glass elements in combination with glass elements, as indicated in Table 2 below. Since the correction in this construction substantially equal to the correction of Fig _o 1, the 2a-2h is shown in the diagrams, these diagrams are not repeated again for the construction of Table 2. This optical system is also an objective

60982 07103360982 071033

mit einer Brennweite von 8,17 mm (0,3215 inch) unä einer effektiven Lichtstärke von f:1,15 und einer numerischen Apertur von 0,45*with a focal length of 8.17 mm (0.3215 inch) and an effective one Luminous intensity of f: 1.15 and a numerical aperture of 0.45 *

Table 2

Effektive Brennweite =8,17 mm Halber Bildwinkel = 2,58°Effective focal length = 8.17 mm Half angle of view = 2.58 °

linselens RadienRadii (inch)(inch) Dickethickness (inch)(inch) Abstand (inch)Distance (inch) .350 . ..350. . ^Ll ^L l R =
4-15R =
4-15 .8800
.4000.8800
.4000 ^Dl ⁼ ^D l ⁼ .0810.0810 \-\ - .3110.3110 HH R₃ =—R ₃ = - .3370
.4120.3370
.4120 D₂ -D ₂ - .2250.2250 ^S2~ ^S 2 ~ .0040.0040 ^L3 ^L 3 R⁵ -- 6R ⁵ - 6 .4310
.6720.4310
.6720 D₃ =D ₃ = • 0880• 0880 S₃ =S ₃ = .1000
(.1535 BFL)
^: .1044.1000
(.1535 BFL)
^: .1044 ^L4
^L5 ^L 4
^L 5 R₇ =
R₈ —
^Rio-R ₇ =
R ₈ -
^R io- .1715
.2450
Inf.
Inf..1715
.2450
Inf.
Inf. D₄ =
D₅ -D ₄ =
D ₅ - .0970
.0492.0970
.0492 ^S4 ⁼
0 ^ S₅ - ^S 4 ⁼
0 ^ S ₅ -

Für die Elemente I₁, 1, t V = 25,4 Pur die Elemente I₂, I^ : V = 57,4 Element 1,- : Optisches MaterialFor the elements I ₁ , 1, t V = 25.4 Pur the elements I ₂ , I ^: V = 57.4 Element 1, -: Optical material

= 1,805 = 1,490= 1.805 = 1.490

609820/1033609820/1033

Claims

1J optical system with relatively short focal length and high light intensity, characterized by a relatively long focal length and the following data:

Effective focal length = 8.17 mm

Half angle of view = 2.58

lens Radii (inch) .8800
= 15,4000 Thickness (inch) - .0750 ^L l R ¹
^R 2 = - .3370
.4120 = .2230 ^L 2 R3
R ₄ .4310
= -6.6720 D ₂ = .0960 L ₃ R ³
^R 6 .1750
= - .2450 D ₃ - .0940 HH ^R 7
^R 8 = Inf.
= Inf. ^D 4 - .0492 hH 'R ⁹
^R 10 ^D 5

Distance (inch)

o ■ ίo ■ ί

.0350

.3100

S ₃ - .0040

5 ₄ - .1000

(.1545 BFL)

5 ₅ ^ .0053

For the elements
For the elements
element

I_: V = 25.4

IL. = 1.805

Ts 66.1 IL. = 1.494.

, LsTs 66.1 IL. ^ s Optical Material,

wherein the first column numerically enumerates the lens elements, starting from the beam entry side of the system, which have a scattering index "V" and a refractive index "UT", furthermore the second column contains the relevant radii R ₁ to R ₁₀ , the third column the thickness D ₁ to D _{5 of} the

60982 CT/103360982 CT / 1033

Blemeiite concerned and the fourth column

the axial distances

Elements and the image plane.

to S ₅ between the concerned

2. Optical system with a relatively short focal length and high light intensity, characterized by a relatively long back focus and the following data:

Effective focal length = 8.17
Half angle of view = 2.58 °

lens Radii (inch) thickness (inch) Distance (inch) - .350. Ή .Ή. R ¹ - 15 .8800
.4000 0810 ^s i - .3110 ^! ^L 2 .3370
.4120 D ₂ -. 2250 _ss - .0040; ^L 3 Re = -6 .4310
.6720 D ₃ =. 0880 S ₃ - .1000 i
(.1535 BFL) j
^ .1044; ^L 4
^L 5 R7 =
^R 8 "-
R ₉ -
^R l0 ⁼ .1715
.2450
Inf.
Inf. D ₄ =.
D ₅ -. 0970
0492 0 - S ₅

For the elements L ₁ , L ₅ : V = 25.4 N ₃₅ = 1.805 Par the elements L ₂ , L ₄ : V = 57.4 F ₃₅ = 1.490 element L ^: optical material,

wherein the first column numerically enumerates the lens elements, starting from the beam entry side of the system, which have the scattering index "V" and the refractive index "Ur", the second column the relevant base radii R ₁ to

60982Ö71033

■ - ίο -

R.JQ, the third column shows the thicknesses IL to D, - of the elements in question and the fourth column gives the axial distances S ^ to S, - between the elements in question and the image plane _o

6098 20/1033

•/π ·• / π ·

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